Phillipps- Universität Marburg Isabelle Kuhn Organisch Chemisches Grundpraktikum Lehramt WS 2006/07 Praktikumsleiter: Herr Reiß Reaktion: Gruppe 11: Entfärben von Cola und Diät-Cola, Nachweis von Zucker Chemikalien: Eingesetzte Stoffe Gefahrensymbole R- und S- Sätze Einsatz in der Schule Diät-Cola - - unbegrenzt Cola - - unbegrenzt Aktivkohle - - Sekundarstufe I CuSO 4 5 H 2 O Xn, N R 22-36/38 Kalium-Narium-Tatrat (Seignette-Salz) S 2-22 Sekundarstufe I - - Sekundarstufe I Natriumhydroxid C R 35 S 1/2-26-37/39-45 Sekundarstufe I dest.wasser - - unbegrenzt Fehling I: 7 g CuSO 4 5 H 2 O gelöst in 100 ml dest. Wasser. Fehling II: 35 g Kalium-Natrium-Tartrat und 10 g Natriumhydroxid gelöst in 100 ml dest. Wasser. Fehling-Reagenz: Gleiche Volumina von Fehling I and Fehling II ergeben gemischt eine tiefblaue Lösung.
Materialien: Bechergläser, Faltenfilter, Trichter, Heizplatte, Siedesteine oder Rührfisch, Erlemeyerkolben Aufbau: Versuch 1: Faltenfilter, Trichter, Erlenmeyerkolben Becherglas (mit Cola und Aktivkohle) Heizplatte Cola vs. Cola light Faltenfilter, Trichter, Erlenmeyerkolben Becherglas (mit Cola light und Aktivkohle) Heizplatte Versuch 2: Fehling I Erlenmeyerkolben Fehling II Erlenmeyerkolben Heizplatte Heizplatte
Durchführung: Versuch 1: Gebe je 100 ml der zwei verschiedene Cola-Lösungen in zwei Bechergläser. Führe mit beiden Lösungen die Entfärbung durch in dem du sie mit etwa 4g Aktivkohle versetzt und 15 min gekocht. Danach wird das Gemisch über einen Faltenfilter abfiltriert. Versuch 2: Als erstes werden 10ml Fehling I und 10ml Fehling II in einen Erlenmeyerkolben gegeben und gut durchgeschüttelt. Nun kommen noch Siedesteine hinein und 10ml (entfärbte) Cola (aus dem vorherigen Versuch). Diese Mischung bringst Du auf der Heizplatte zum Kochen. Derselbe Versuch wird anschließend noch einmal mit der entfärbten Diät-Cola aus Versuch 1 durchgeführt. Beobachtung: Versuch 1: Beim Kochen der beiden Colas mit der Aktivkohle stellt man noch keinen Unterschied zwischen ihnen fest. Bei Beiden handelt es sich zunächst mit der Aktivkohle um eine dunkel braune bis schwarze Lösung in der die Aktivkohle schwimmt. Nach dem Kochen gießt man sie über einen Faltenfilter und es stellt sich heraus das das Filtrat beider Lösungen klar ist und im Filter ein schwarzer Rückstand (Aktivkohle) zurückbleibt (siehe Foto A). A Entfärbte Cola Entfärbte Colalight Versuch 2: Gibt man Fehling I und II in einen Erlenmeyerkolben, so färbt sich diese Lösung dunkelblau (siehe Foto B). B
schon beim hinzufügen der entfärbten Colas kann man beobachten, dass sich die Lösung mit der Cola etwas dunkler färbt, die der Cola light jedoch nicht verändert (Foto C). Cola light Cola C Beim erhitzen der beiden Lösungen wird diese Beobachtung jedoch deutlich verstärkt. Die Lösung mit der Cola light ist nach wie vor dunkelblau, hat also die Farbe nicht geändert (siehe Foto D). Die Lösung mit der Cola jedoch ist nun kräftig dunkelrot gefärbt (siehe Foto E). D E Entsorgung: Die Lösungen in die anorganischen Abfälle, die Faltenfilter samt Inhalt trocken in die Feststofftonne. Fachliche Analyse: Allgemeines zum Thema Cola: Am 8. Mai 1886 stellte der Apotheker Dr. John S. Pemperton in Atlanta einen Sirup her, der mit Sodawasser vermischt, zunächst gegen Kopfschmerzen, Müdigkeit, Völlegefühl sowie Abgeschlagenheit gedacht war. Auf der Suche nach einem "Allheilmittel" stellte Pemperton aus Wasser, Zucker, Kola-Nüssen, Coca-Strauchblättern und einigen bis heute "offiziell geheim gehaltenen" (natürlichen) Aromastoffen Coca-Cola her. Einen unbeschreiblichen Siegeszug trat Coca-Cola in über 160 Länder der Welt an und ist heute das bekannteste und meistgetrunkene Erfrischungsgetränk auf der Welt.
Inhaltstoffe und Verwendung: Zu 99% besteht Coca-Cola aus Wasser und Zucker (Zuckeranteil: 11-12%) zudem enthält sie ca. 16 mg / 100ml Koffeein sowie Extrakte von Kolanüssen, bitteren Pomeranzen, Johannisbrotbaum und Ingweressenz, Kohlensäure, Wasser, brauner Karamellzucker (Zuckerkulör E 150) als Farbstoff, natürliche Aromen und Säuerungsmittel Orthophosphorsäure (E 338) (der ph-wert der Cola liegt deshalb bei 2,7). Einzelanalyse ergeben: 100 g Colagetränke enthalten ungefähr: Energie : 46,4 Kcal Wasser : 88,0 g Kohlenhydrate: 11,0 g Natrium : 7,0 mg Kalium : 1,0 mg Calcium : 4,0 mg Magnesium : 1,0 mg Phosphor : 15,0 mg Vitamine : keine Wahrscheinlich verdankt Coca-Cola seine munter machende Wirkung eher dem 11% Zuckeranteil als seinem Koffeingehalt, denn dieser ist in Kaffee drei- bis viermal so groß. Das Kokain aus den Coca-Strauchblättern wird heutzutage extrahiert. Nur die Aromastoffe aus den Coca-Strauchblättern und den Kola-Nüssen runden mit braunem Karamellzucker, Kohlensäure und Orthophosphorsäure den Geschmack der Coca-Cola ab. Die Orthophosphorsäure überdeckt den Zuckergeschmack, dient der Konservierung und verstärkt zudem das Durstgefühl. Weiterhin wird der Phosphorsäure nachgesagt, sie könne Fleisch zersetzen. Ähnliche Beobachtungen können jedoch auch bei Mineralwasser gemacht werden, weil im kohlensauren Milieu u.a. dem Fleisch Stickstoff entzogen wird. Widerlegt werden konnte noch nicht, dass Phosphate bei Kindern das hyperkinetische Syndrom hervorrufen. Allseits bekannt ist, dass Coca-Cola auch heute noch bei Durchfallerkrankungen als "Medizin" angewendet wird. So verwundert es auch nicht, dass Coca-Cola in vielen Ländern als Desinfektionsmittel auf offenen Wunden verwendet wird. Weniger bekannt hingegen ist, dass Einige Coca-Cola als Verhütungsmittel nach dem Geschlechtsverkehr zum Abtöten der Spermien gebrauchen. Das sind aber alles Tipps, die aus Sicht von Medizinern keinesfalls zur Nachahmung zu empfehlen sind.
Zum Versuch: Versuch 1: Cola ist ein sehr farbstoffhaltiges Getränk. Da der Farbstoff unsere Nachweise stört, muß er zuvor entfernt werden. Beim behandeln von Cola mit Aktivkohle wird deren besondere Eigenschaft ausgenutzt. Aktivkohle besitzt ähnlich wie bei einem Schwamm poröse und vorallem große innere Oberfläche und ist in der Lage große Mengen organischer Stoffe, hier den Farbstoff sowie andere Aromastoffe zu adsorbieren. Aktivkohle hat je cm³ (0,25g) eine innere Oberfläche zwischen 75-500m². 1 Liter Aktivkohle besitzt eine Adsorbtionsfläche in der Größe zwischen 10-68 Fußballfeldern (Fußballfeld = 7350m²). Aktivkohle wird in Dunstabzugshauben, in Gasmasken und bei der Trinkwasseraufbereitung verwendet. Ein weiteres Beispiel sind Kohletabletten, welche bei Magen-Darm-Infekten manchmal geschluckt werden. Adsorbtion: Eine Adsorption liegt vor, wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit durch wirksame Oberflächenkräfte (Adhäsion) eines anderen Stoffes festgehalten wird (von lat. adsorbere, "festhalten"). Feststoffe adsorbieren um so besser, je größer ihre Oberfläche, bzw. je poröser sie sind. Bekannte Adsorptionsmittel sind Aktivkohle und Kieselgel. Aktivkohle oder Kieselgel besitzen winzige Poren mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 nm (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Die Adsorption ist druck- und temperaturabhängig. Die Adsorbtion ist ein wichtiges Verfahren zur Trennung von Stoffen. Aktivkohle besitzt winzige Poren, die Gase und Flüssigkeiten festhalten: Der Farbstoff der Cola: In der Cola wird der Farbstoff Zuckerkulör verwendet. Er ist eine Substanz, die man als
"gebrannten oder karamelisierten Zucker" kennt und selbst zubereitet werden kann. Schon sehr früh stellten Menschen "Karamel" her, indem Sie eine Pfanne mit Zucker übers offene Feuer hielten. Diese Karamelart wird vor allem zur Geschmacksoptimierung verwendet, während der in Coca- Cola light verwendete Farbstoff ausschließlich wegen seiner farbgebenden Wirkung zum Einsatz kommt.heute wird Farbstoff Zuckerkulör meist in kleinen Mengen verwendet, um Nahrungsmittel zu färben. Es handelt sich dabei um einen der ältesten und am weitesten verbreiteten Farbstoffe. Versuch 2: Mit der Fehling-Reaktion kann nicht nur Zucker indirekt nachweisen, sondern man kann auch Saccharose von anderen Zuckern unterscheiden. Einfachzucker wie Glucose und Fructose bilden einen gelbroten bis ziegelroten Niederschlag. Die Verfärbung tritt bei Mehrfachzuckern wie Saccharose nicht auf. In der Cola ist Neben dem Haushaltszucker Saccharose auch der Traubenzucker Glucose und der Fruchtzucker Fructose enthalten. Aus diesem Grund verfärbt sich die Fehlinglösung nach der Zugabe der entfärbten Cola (genaueres zu dieser Reaktion siehe auch Protokoll zum Thema Nachweis für reduzierende Zucker). Strukturformeln der Zucker: Glucose Fructose In Diät-Getränken sind Zuckerersatzstoffe (Aspartam, Cyclamat o.ä.) enthalten, die mit Fehling nicht reagieren, die Lösung bleibt also blau. Reaktionen: Gibt man die beiden Fehling-Lösungen in ein Reagenzglas so kommt es zunächst zur Bildung eines Kupferkomplexes: 2Cu 2+ (aq) + 2 C 4 H 4 O 2-6 (aq) + 2 H 2 O [Cu 2 (C 4 H 4 O 6 ) 2 (H 2 O) 2 ] 2- (aq) blau
Die Strukturformel dieses Komplexes sieht wie folgt aus: Nach Zugabe von Cola bildet sich ein rot-braunes Kupferoxid, da, wie schon bereits erwähnt, Zucker in Cola enthalten ist. Da in Cola Light nur Zuckerersatzstoffe enthalten sind, ist der Zuckernachweis nach Fehling negativ. Die Fehlingsche Probe nutzt die Reaktivität der Aldehyde gegenüber den in alkalischer Lösung schwach oxidierend wirkenden Cu 2+ -Ionen. Stellt sich die Frage warum man den Kupferkomplex verwendet und nicht einfach eine Cu 2+ - Lösung. Neben den Kupferionen enthält die Fehling Lösung Tartrationen als Komplexbildner, durch welche
die Kupferionen in Lösung gehalten werden. Ohne Tartrationen würde sich in alkalischer Lösung ein Niederschlag von Cu(OH) 2 bilden. Die Tartrationen vermögen mit den Cu + -Ionen keinen Komplex zu bilden, so dass die Reduktion von Cu 2+ zu Cu + durch reduzierende Zucker zur Bildung eines roten Niederschlags von Cu 2 O führt. Methodisch- Didaktische Analyse: Der zeitliche Aufwand für diesen Versuch ist in einer Unterrichtsstunde machbar, mit Besprechung der Versuche empfiehlt sich die Durchführung jedoch eher für eine Doppelstunde. Die Vorbereitung hingegen ist durchaus in einer 5 Minutenpause zu schaffen. Genauso wie die Nachbereitung die wegen der leichten Entsorgung und der Einfachen Reinigung der Glasgeräte nicht mehr als 10 Minuten dauern dürfte. Der apparative Aufwand ist da schon etwas höher, zu mindestens wenn man den Versuch als Schülerversuch durchführen lassen möchte, da wahrscheinlich nicht an jeder Schule genügend Heizplatten vorhanden sind. Dem kann man jedoch Abhilfe schaffen wenn man die Schüler mit Dreifuß und Bunsenbrenner arbeiten lässt. Der finanzielle Aufwand für diesen Versuch aufgrund der relativ billigen Chemikalien recht gering, man muss jedoch beachten das man wenn man ihn als Schülerversuch durchführen lassen will auch einige Liter Cola benötigt. Falls man ihn als Lehrerversuch durchführen möchte empfiehlt es sich in etwas größerem Maßstab zu arbeiten (dürfte finanziell keinen großen Unterschied machen), da die Schüler dann besser sehen was vorne passiert (Entfärbung beim Filtrieren bzw. Rotfärbung des Fehling Reagenz). Wichtig ist auch das man bis auf die Filter alle Geräte nach dem Versuch wiederverwenden kann da sie sehr gut zu Reinigen sind. Methodisch ist dieser Versuch nicht nur sehr wertvoll, weil er sehr gut funktioniert (wichtig man muss die Cola mit der Aktivkohle erwärmen, sonst ist die Entfärbung nicht deutlich genug) und die Effekte für den SchülerInnen so verblüffend wie ein Zaubertrick sein dürften. Sondern vor allem weil die SchülerInnen nicht nur etwas über den Nachweis von Zuckern, sondern auch über ein wichtiges Trennverfahren der Adsorbtion an Aktivkohle lernen. Das der Versuch genau das zeigt was er zeigen soll, nämlich dass die Rotfärbung des Fehling Reagenz mit der Cola, aber nicht mit Cola light unterstützt optisch sehr gut die Aussage des Versuches das in der Cola Zucker enthalten sind in der Cola light jedoch nicht. Nicht nur aus diesem Grund ist der Versuch zum Thema Zucker oder Lebensmittel didaktisch wertvoll, sondern vor allem weil für die SchülerInnen ein für sie alltägliches Thema Lebensmittel in Bezug mit der Chemie gebracht wird. Dieser Versuch weckt so ihr Interesse da er viel Gesprächsstoff liefert.
Meiner Meinung nach eignet sich dieser Versuch sowohl als Vorführversuch (wie ein kleiner Zaubertrick) zum Interesse wecken, wie auch als Schülerversuch ab der Sekundarstufe I (Ungewöhnlichkeit der Chemikalien siehe Soester-Liste), denn hier können sie selbst das Trennverfahren ausprobieren und Erfahrungen beim Nachweisen von Substanzen sammeln. Einen solchen Versuch zum Thema Lebensmittel kann man an vielen Stellen und in vielen Jahrgangsstufen im Unterricht darbieten oder durchführen lassen. Laut dem neuen G8 Lehrplan passt er zu folgenden Themen: Jahrgangsstufe 7; Stoffe unterscheiden und isolieren; Trennverfahren für Stoffgemische Hinweis: hier empfiehlt es sich nur den ersten Teilversuch zur Entfärbung der Cola durchzuführen. Jahrgangsstufe 11; Kohlenstoffchemie II: technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen; zum Thema Kohlenhydrate Jahrgangsstufe 11; Kohlenstoffchemie II: technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen; zum Thema Identifizierung von Kohlenstoffverbindungen Hinweis: In der Jahrgangsstufe 11 empfiehlt es sich den Versuch als Schülerversuch durchführen zu lassen, da ein Ziel dieser Jahrgangsstufe das erlernen vieler Arbeitsmethoden sein sollte, wozu auch das durchführen und Auswerten von Experimenten gehört. Jahrgangsstufe 12; Wahlthema: Angewandte Chemie; Farbstoffe Hinweis: auch hier könnte man nur den ersten Teil des Versuches einsetzen. Jahrgangsstufe 12; Wahlthema: Angewandte Chemie; Nahrungsmittel Hinweis: Für dieses Thema ist der Versuch meiner Meinung nach am besten geeignet. Da er es sich um ein bei allen Schülern wohl bekanntes Nahrungsmittel handelt und man das Thema Cola hier noch ausführlicher behandeln könnte. Man kann zum Beispiel Themen wie Inhaltstoffe, Zusatzstoffe, Konservierungsstoffe etc. anhand der Cola besprechen. In der Jahrgangsstufe 12 empfiehlt es sich ganz besonders diesen Versuch als Schüler versuch durchzuführen, da das Eigenständige Experimentieren hier grossgeschrieben werden sollte. Fazit: Das Thema Cola sollte meiner Meinung nach jeder Schüler mal in der Schule im Chemieunterricht kennen gelernt haben, da man an ihr viele wichtige Phänomene der Chemie erklären kann und es für die Schüler ein, meiner Meinung nach, ansprechendes Thema ist. Literatur: http://www.nat-schuelerlabor.de/pdf/nachweise%20anorgan+organ.pdf
http://www.learn-line.nrw.de/angebote/neuemedien/medio/nw/chemie/cola/index.html Organische Chemie; Vierte Auflage, K.Peter C.Vollhardt, Neil E.Shore; Willey-VCH, 2005 Römpp Chemie Lexikon http://www.seilnacht.com/versuche/adsorbi.html http://www.experimentalchemie.de www.wikipedia.de